TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

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1 Fondamenti Segnali e Trasmissione TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

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Page 1: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

1 Fondamenti Segnali e Trasmissione

TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

Page 2: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

2 Fondamenti Segnali e Trasmissione

• ISP (Internet Service Provider) connesso alla WWW (World Wide Web) vende trasmissione dati

• rete telefonica: unico canale di trasmissione bidirezionale diffuso

• PB: un metodo per scambiarsi dati tramite segnali che possano viaggiare sulla rete telefonica, cioè che abbiano caratteristiche simili a quelle di una comunicazione telefonica, o per lo meno che siano compatibili con i vincoli di tale rete

Trasmissione dati su rete telefonica

rete telefonica analogica

Page 3: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

3 Fondamenti Segnali e Trasmissione

L’ applicazione DSL (Digital Subscriber Line)

• Una DSL opera su un sistema di trasmissione locale (utente – centrale) a

due fili tipicamente di lughezza inferiore a 1.5 km.

DSL DSL

centrale

Rete a

larga banda

ISPInternetServiceProvider

utente

Trasmissione full duplex

[1/4]

Page 4: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

4 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Fonti di disturbo su DSL [2/4]

Echi del segnale trasmesso

Rumore elettronico

Interferenza intersimbolica

Paradiafonia [�]

Telediafonia [�]

Page 5: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

5 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Interferenza tra linee: paradiafonia e telediafonia

I disturbi di para e telediafonia sono dovuti all’accoppiamento capacitivo

tra cavi (es. doppini telefonici) situati in prossimita’.

Trasmettitore

Ricevitore

linea 1

linea 2

PARADIAFONIA

Trasmettitore

Ricevitore

linea 1

linea 2

TELEDIAFONIA

[3/4]

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6 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Modello del canale

Canale H(f) è la cascata di:

• D(f) : doppino

• C(f) : filtro anti-aliasing con taglio a 3.5 kHz

• zero in continua H(0)=0

( )

−= fl

lkexpAfD

0

2

Il segnale vocale sta perfettamente qua dentro. Un segnale numerico come può essere fatto? (Passa-Banda f0≈1700 Hz, B≤3.5 kHz)

0 1 2 3 4 50

0.5

1

1.5

f [kHz]

|H(f

)|

[4/4]

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7 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Nel 1992 il sig. Rossi compra un v.32 modem standard:

• f0 = 1800 Hz• Rs = 2.4 kbaud (1 baud = 1 simbolo/s)• Rb = 9600 bps

Infatti sappiamo che in banda passante, con roll off del 40%:

( ) kbaud con kHz 423631 .R.RB ss ==+= α

codificata non 16QAM onecostellazi16242 ==⇒= MMlogRR sb

Notalo standard prevede altri due modi di funzionamento in condizioni critiche di rapporto segnale-rumore:• 32-CR codificato R=4/5 (guadagna 4 dB) 4 bit/simbolo, 9600 bps• QPSK non codificato 2 bit/simbolo, 4800 bps

V.32 modem standard

Page 8: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

8 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Rete telefonica digitale

• miglior SNR sulla rete (34-38 dB) => maggior numero di livelli della costellazione

• si sfrutta al massimo la banda disponibile con tecniche più raffinate di equalizzazione per combattere la distorsione

• i modem si scambiano una serie di toni per stimare la risposta del canale e per decidere f0 e Rs. => velocità di trasmissione variabile a seconda delle condizioni.

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1doppinofiltro rete digitale

qnz-5-4-3-2-1012345

-0.20

0.20.4

0.60.8

1

doppinoD/A

0 1 2 3 4 5 6-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 1 2 3 4 5 6-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

cmp0 1 2 3 4 5 6

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 1 2 3 4 5 6-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

01010101...

...01010101

Page 9: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

9 Fondamenti Segnali e Trasmissione

1997: il sig. Rossi butta il v.32 e compra un modem v.34:

• f0 variabile tra1600 e 1960 Hz• Rs variabile tra 2.4 e 3.43 kbaud• Rb variabile tra 19.2 e 33.6 kbps

Note• i bit/simbolo (tra 8 e 10.7) anche non interi nascono dall’uso di superframes di simboli• la costellazione utilizzata varia tra un minimo di 256 ed un massimo di 1664 livelli• i modem iniziano la comunicazione con una fase di start-up per decidere la qualitàdel collegamento ed accordarsi sulla modalità da utilizzare

V.34 modem standard

Page 10: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

10 Fondamenti Segnali e Trasmissione

rete digitale

Ma perchè prendere un segnale digitale, modularlo su un segnale analogico, per poi riconvertirlo in digitale? Non è più semplice interfacciarsi direttamente con la rete digitale?

-5-4-3-2-1012345

-0.20

0.20.4

0.60.8

1

D/A

• In ricezione il convertitore D/A in centrale converte il segnale numerico in un segnale a gradini (256 livelli non uniformi, durata 125 µs). Questo segnale viene filtrato (proprio allo scopo di tagliare gli spigoli quando si tratta di un segnale vocale) e riconvertito A/D al modem.• Se l’IP trasmettesse direttamente un file numerico, il convertitore lo convertirebbe con la stessa legge: se potessi leggere l’uscita non filtrata mi basterebbe un demodulatore d’ampiezza a 256 livelli (a parte la piccola complicazione che i livelli d’ampiezza sono non uniformi), per ricevere un simbolo 256-PAM ogni 125 µs.

0 1 2 3 4 5 6-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 1 2 3 4 5 6-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

01010101...

...01010101

Il modem digitale [1/2]

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11 Fondamenti Segnali e Trasmissione

• pb: il sig Rossi non può by-passare il filtro. Questo filtro visto da un punto di vista numerico genera ISI nel segnale a valle. Quest’ISI si può combattere con una pre-codifica, per cui ogni 7 simboli trasmessi, uno è combinazione degli altri otto: Rs=7 kbaud, Rb= 7x8=56 kbps

• In tx il convertitore A/D è in centrale quindi il sig. Rossi se lo deve tenere e deve passargli un segnale analogico => modem asimmetrico

Il modem digitale [2/2]

Page 12: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

12 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Nel 1999 quindi il sig. Rossi butta il v.34 e compra un modem v.90:

In ricezione modem digitale

• banda base• Rs = 7 kbaud• Rb = 56 kbps (modulazione 256 PAM)

In trasmissione modem analogico standard v.34

• Rb fino a 33.6 kbps

NotaIl traffico internet è molto asimmetrico: il collo di bottiglia è sempre il flusso in ricezione

V.90 modem standard (asimmetrico)

Page 13: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

13 Fondamenti Segnali e Trasmissione

E’ lo stesso gestore della rete telefonica che mette a disposizione il servizio modificando le centrali e l’accesso dell’utente: in pratica viene sdoppiata la linea locale• la parte LP per la fonia• la parte BP per i datiLe due parti vengono multiplate in centrale dopo la conversione in numerico (la linea telefonica rimane sempre libera).

ADSL

• Ora il segnale dati non deve più passare attraverso il filtro anti aliasing. • La rete porta per il sig.Rossi un traffico superiore ai 64 kbps di una telefonata standard• Il modello del canale con cui bisogna fare i conti per il trasferimento dati torna ad essere la funzione di trasferimento del doppino telefonico

rete digitalecentr.

01010101...

...01010101

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Page 14: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

14 Fondamenti Segnali e Trasmissione

ADSL : architettura

Configurazione ASIMMETRICA con trasmissione dati

in divisione di FREQUENZA con il segnale telefonico

ADSL download

ADSL upload

Telefono0-4 kHz

ADSL(25 – 128) – (128 – 1104) kHz

Modem

ADSL

utente

Rete

digitale

Modem

ADSL

Centrale

ISP

[1/3]

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15 Fondamenti Segnali e Trasmissione

• Le prestazioni dell’ ADSL dipendono dalla lunghezza della linea utente – centrale

(prima della trasmissione sulla rete digitale a larga banda).

• I segnali voce e dati vengono separati da ‘splitters’, ovvero filtri passa alto e passa

basso che svolgono il ruolo di de-multiplexer in frequenza.

DSL

Filtro

passa

basso

Filtro

passa

alto

Telefono

ADSL Modem

−= fl

lkfH

0

2exp)(

ADSL : architettura [2/3]

Page 16: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

16 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Diagramma a blocchi dell’accesso ADSL

ADSL : architettura [3/3]

ADSL

Modem

Telefono,FAX,…

Modulo di accesso DSL

Filtro

passa altoPC

Filtro

passa basso

ADSL

Modem

Filtro

passa alto

Centrale Utente

Filtro

passa basso

conversione in formato

digitale

multiplazione

nella RETE

digitale

Doppino (0.1 - 1.5 km)

0.5 – 8 Mbit/s �� 64 – 1024 kbit/s

Page 17: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

17 Fondamenti Segnali e Trasmissione

La modulazione usata in ADSL e’ detta DMT (Discrete Multitone)

Nella trasmissione DMT il flusso R (bit/s) dei dati viene diviso in

N flussi piu’ lenti (di velocita’ Rk , 1<k<N)

L’intera banda disponibile viene quindi divisa in N sotto-bande

ed ogni flusso viene trasmesso in parallelo su una delle sotto-bande.

I flussi di dati in ogni sotto-banda vengono modulati

da portanti ortogonali tra di loro.

ADSL: principio di funzionamento [1/1]

Page 18: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

18 Fondamenti Segnali e Trasmissione

( ) ( )

( ) ( )∑

∑∞

−∞=

−∞=

+⋅

−−⋅=

+⋅

−−⋅=

+=

nn

nn

tfT

nTtrectbtg

tfT

nTtrectatg

tgtgtg

ϑπα

ϑπα

22

11

21

2sin

2sin

)()()(

Due flussi di informazioni numeriche sono rappresentati dai coefficienti an e bn (nel caso binario tali coefficienti potranno assumere, ad esempio i valori ±A)

Si possono trasmettere contemporaneamente entrambi i flussi di informazione utiliz-zando la somma dei due segnali riportati nel seguito.

Nel caso f1=k1.(1/T) e f2=k2

.(1/T) abbiamo la densità spettrale di potenza dei due processi riportata in figura.

T= tempo di simbolo

f1 f2

)(1

fSg )(2

fSg

f

Trasmissione di informazioni con portanti ortogonali [1/2]

Page 19: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

19 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Nonostante le due densità spettrali di potenza siano fortemente sovrapposte una all’altra, in ricezione, dall’unico segnale ricevuto (g(t)) possiamo recuperare correttamente sia gli an che i bn. Cioè i segnali g1(t) e g2(t) non interferiscono fra loro.

g(t)

Ricevitore centratosu f1

Ricevitore centratosu f2

an

bn

La non interferenza fra i due segnali considerati e’ strettamente legata alla condizione di ortogonalità fra le portanti nel periodo di simbolo.

( ) ( ) 01

2sin1

2sin2sin2sin 2121 =⋅

=⋅⋅ ∫∫ dttT

ktT

kdttftfTT

ππππ

La trasmissione di più flussi di informazioni in parallelo attraverso l’uso di portanti ortogonali è ampiamente utilizzata in diversi sistemi di comunicazione ed e’ la base della DMT.

Trasmissione di informazioni con portanti ortogonali [2/2]

Page 20: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

20 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Non è necessario utilizzare un modulatore per ogni sottobanda. La generazione (e ricezione) dei segnali avviene con teniche numeriche basate sull’uso della DFT (Discrete Fourier Transform) / FFT (Fast Fourier Transform)

( )

( ) N

knjN

k

N

knjN

n

ekXN

nx

enxkX

⋅⋅⋅−

=

⋅⋅⋅−−

=

⋅=

⋅=

∑∑

π

π

21

0

21

0

1)(

;)(

Conv.S/P

Immaginario

Reale

IFFT8192Complessi

8192Complessi

ImmaginarioReale

Oscillatorelocale IF

D/A D/A

Oscillatorelocale fC

Filtrop-banda

ππππ////2222

ΣΣΣΣ x

( )tf02-sin π

( )tf02cos π

x

x

v(t)

b(n)

X(k)x(n)

Implementazione della DMT tramite DFT/IDFT

Page 21: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

21 Fondamenti Segnali e Trasmissione

La modulazione DMT risulta particolarmente utile poiche’:

- permette di sfruttare al meglio la capacita’ del canale sfruttando, ad es., le sotto-bande con rapporto segnale rumore migliori per trasmettere a velocita’ piu’elevate

- e’ flessibile e si adatta a condizione di canale trasmissivo diverse- e’ resistente a disturbi che siano particolarmente concentrati in alcuni intervalli

di frequenza o al rumore ad impulsi, la cui energia viene distribuita sui molti canali.

1Khz 10Khz 100Khz 1Mhz

Att. (dB/Km)

15-18 dB/Km

Considerando lunghezza max del collegamento pari a circa 5Km l’attenuzionemassima può raggiungere i 90 dB.

Applicazioni della DMT : ADSL [1/2]

Nelle trasmissioni digitali ad alta velocità su doppini telefonici la banda utilizzata e’ 5 Khz ÷÷÷÷ 1Mhz

Page 22: TRASMISSIONE DATI SU RETE TELEFONICA

22 Fondamenti Segnali e Trasmissione

Uno degli aspetti legata alla flessibilità nella DMT e’ l’allocazione delle risorse in trasmissione (come ad es. la potenza) per massimizzare la velocità totale in bit/s.

Se non ho un canale ideale con attenuazione costante in frequenza é intuitivo pensare che converrà trasmettere a velocità superiore nelle sotto-bande con minore attenuazione (e quindi migliore SNR) e meno nelle altre.

Questo si può realizzare utilizzando costellazioni a più livelli (M-QAM) nelle sotto-bande ‘buone’.

Applicazioni della DMT : ADSL [2/2]